(57)【要約】【課題】光出力の高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１０では、半導体発光層１５は、厚さが６ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層２６と障壁層２５が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、且つ主面が極性面である。半導体発光層１５は、第１導電型の第１半導体層１２と第２導電型の第２半導体層１３、１４の間に設けられている。第１電極１６および第２電極１８は、半導体発光層１５の主面に略垂直な方向に電流が流れるように、第１半導体層１２および第２半導体層１４に電気的に接続されている。【選択図】  図１
2013183032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体層と、
第２導電型の第２半導体層と、
前記第１および第２半導体層の間に設けられ、厚さが６ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、且つ主面が極性面である半導体発光層と、
前記半導体発光層の前記主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記第１および第２半導体層に電気的に接続された第１電極および第２電極と、
を具備することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記井戸層の厚さが８ｎｍ以上９ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体発光層は、２以上の前記井戸層を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１電極は前記第１半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出された光に対して透光性を有する透明導電膜であり、前記第２電極は前記第２半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光を反射する金属電極であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記透明導電膜上に設けられた細線電極を更に具備することを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１半導体層は、主面の少なくとも一部に凹凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記井戸層がＩｎｘ１Ｇａｙ１Ａｌ（１−ｘ１−ｙ１）Ｎ（０＜ｘ１＜１、０＜ｙ１≦１）であり、前記障壁層がＩｎｘ２Ｇａｙ２Ａｌ（１−ｘ２−ｙ２）Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１＜１、０＜ｙ１＜ｙ２≦１）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、窒化物半導体発光素子には、主面が極性面で、井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造の窒化物半導体発光層を有し、主面に略垂直な方向に電流が流れるように構成されているものがある。
【０００３】
この半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ井戸層と、ＧａＮ障壁層またはＩｎＧａＮ井戸層よりＩｎ組成の小さいＩｎＧａＮ障壁層が用いられている。ＩｎＧａＮはＧａＮより格子定数が大きいため、ＩｎＧａＮ井戸層には圧縮歪が加わっている。
【０００４】
窒化物半導体には、圧縮歪に起因してピエゾ電界が誘起される。ピエゾ電界により、ＩｎＧａＮ井戸層に注入されたホールと電子は空間的に分離され、発光再結合が妨げられる。
【０００５】
ピエゾ効果による発光再結合の低減を抑制するために、厚さを３ｎｍ以下と薄くしたＩｎＧａＮ井戸層が多く用いられている。ＩｎＧａＮ井戸層を薄くすると、ホールと電子が接近するので、ホールと電子の発光再結合の低下が抑制される。
【０００６】
然しながら、厚さが３ｎｍ以下と薄いＩｎＧａＮ井戸層を有する半導体発光素子を大電流で駆動すると、ＩｎＧａＮ井戸層内のキャリア密度が高くなり過ぎる場合がある。その結果、キャリア密度の２乗に応じて増加する発光再結合よりもキャリア密度の３乗に応じて増加するオージェ再結合が増加する。更に、ＩｎＧａＮ井戸層からオーバフローするキャリアが増加する。従って、内部発光効率が低下し、高い光出力を有する半導体発光素子が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２００３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、光出力の高い半導体発光素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの実施形態によれば、半導体発光素子では、半導体発光層は厚さが６ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、且つ主面が極性面である。前記半導体発光層は、第１導電型の第１半導体層と第２導電型の第２半導体層の間に設けられている。第１電極および第２電極は、前記半導体発光層の前記主面に略垂直な方向に電流が流れるように、前記第１および第２半導体層に電気的に接続されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例に係る半導体発光素子を示す図。
【図２】実施例に係る半導体発光素子の要部を示す断面図。
【図３】実施例に係る半導体発光素子の結晶構造示す図。
【図４】実施例に係る半導体発光素子の特性を示す図。
【図５】実施例に係る半導体発光素子の特性を示す図。
【図６】実施例に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図７】実施例に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図８】実施例に係る半導体発光素子の製造工程を順に示す断面図。
【図９】実施例に係る別の半導体発光素子を示す断面図。
【図１０】実施例に係る別の半導体発光素子を示す断面図。
【図１１】実施例に係る別の半導体発光素子の要部を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１２】
本実施例に係る半導体発光素子について、図１を用いて説明する。図１は本実施例の半導体発光素子を示す図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿って切断し矢印方向に眺めた断面図である。本実施例の半導体発光素子は、ＩｎＧａＮ系窒化物半導体を用いた青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。
【００１３】
図１に示すように、本実施例の半導体発光素子１０では、半導体積層体１１は、第１導電型の第１半導体層であるＮ型ＧａＮクラッド層１２と、第２導電型の第２半導体層であるＰ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４と、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２とＰ型ＧａＮクラッド層１３の間に設けられた半導体発光層１５とを含んでいる。
【００１４】
後述するように、半導体積層体１１は面方位がＣ面のサファイア基板にバッファ層を介してエピタキシャル成長されている。半導体積層体１１の成長面（主面）はＣ面である。半導体発光層１５の主面１５ａもＣ面であり、極性面である。
【００１５】
Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、半導体発光層１５と反対側の上面に凹凸部１２ａを有している。半導体発光層１５側から凹凸部１２ａに入射した光は、凹凸部１２ａで散乱または屈折されて、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の上面から取り出される。凹凸部１２ａは、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の上面からの光取り出し効率を向上させる。
【００１６】
Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の凹凸部１２ａ上に、半導体発光層１５から放出された光に対して透光性を有する透明導電膜（第１電極）１６が設けられている。透明導電膜１６は、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の凹凸部１２ａの略全面に設けられている。
【００１７】
透明導電膜１６は、半導体発光層１５と反対側の上面に、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２の凹凸部１２ａを反映した凹凸部を有している。
【００１８】
透明導電膜１６は、例えば厚さが１００乃至２００ｎｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜である。透明導電膜１６により、半導体積層体１１の周辺まで電流が広げられる。電流を広げるためにはＩＴＯ膜は厚い方が良い。一方、ＩＴＯ膜はわずかであるが光を吸収するので、光をより多く取り出すためには薄い方が好ましい。以後、透明導電膜をＩＴＯ膜とも記す。
【００１９】
なお、Ｐ型窒化物系半導体は、ＩＴＯ膜などの透明導電膜よりも抵抗率が大きく、厚く成長させることが困難なため、シート抵抗は高い。電流はほぼ透明導電膜１６を通って広がることになる。Ｐ型ＧａＮクラッド層１３、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４などのＰ型ＧａＮ層を通っての電流の広がりは無視することができる。
【００２０】
透明導電膜１６の中央部には、ワイヤをボンディングするためのパッド電極１７ａが設けられている。更に、透明導電膜１６には、外周に沿って額縁状の細線と、パッド電極１７ａから額縁の対角線方向に延在し、額縁状の細線の角部に接続されたＸ状の細線を有する細線電極１７ｂが設けられている。細線電極１７ｂは、例えば幅が２μｍの金（Ａｕ）膜である。
【００２１】
透明導電膜１６のシート抵抗は細線電極１７ｂのシート抵抗よりはるかに高いので、半導体積層体１１のサイズが大きくなると周辺部への電流の拡がりが悪くなる。細線電極１７ｂは透明導電膜１６による電流の拡がりを促進するために設けられている。
【００２２】
半導体発光層１５と反対側のＰ型ＧａＮコンタクト層１４上に、金属電極（第２電極）１８が設けられている。金属電極１８は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４の略全面に設けられている。金属電極１８は、例えばＰ型ＧａＮとオーミックコンタクトが可能な銀（Ａｇ）と金（Ａｕ）の積層膜である。銀は光の反射率が高いので、半導体発光層１５側から入射する光を効率よく反射する。
【００２３】
半導体積層体１１は、金属電極１８側が接合層１９を挟んで導電性の支持基板２０に設けられている。接合層１９は、例えば金錫（ＡｕＳｎ）合金層である。支持基板２０は、例えばシリコン基板である。
【００２４】
支持基板２０には、半導体積層体１１と反対側に基板電極２１が設けられている。基板電極２１は、例えばシリコンとオーミックコンタクトが可能な金膜である。
【００２５】
図２に示すように、半導体発光層１５は、Ｉｎｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎ井戸層２５（以後、単にＩｎＧａＮ井戸層という）とＩｎｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎ障壁層２６（以後、単にＩｎＧａＮ障壁層という）が交互に積層された量子井戸構造体である。半導体発光層１５は、ＩｎＧａＮ障壁層で始まり、ＩｎＧａＮ障壁層で終わっている。
【００２６】
ここで、ｘ１、ｘ２は０≦ｘ２＜ｘ１＜１の関係にある。ＩｎＧａＮ井戸層２６のＩｎ組成ｘ１は、半導体発光素子１０から波長４５０ｎｍの光が放出されるように、例えば０．１５程度に設定されている。ＩｎＧａＮ障壁層２５のＩｎ組成ｘ２は、バンドギャップがＩｎＧａＮ井戸層２６のバンドギャップより広くなるように、例えば０．０５に設定されている。
【００２７】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１は６ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定されている。望ましくは８ｎｍ以上９ｎｍ以下に設定されている。ＩｎＧａＮ井戸層２６の数は２以上で有ればよい。ＩｎＧａＮ障壁層２６の厚さＷ２は、例えば５ｎｍ乃至２０ｎｍである。
【００２８】
Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、例えば厚さが２乃至５μｍ、不純物濃度が１Ｅ１９ｃｍ−３である。Ｎ型ＧａＮクラッド層１２は、半導体発光層１５からＰ型ＧａＮコンタクト層１４までをエピタキシャル成長させるための下地単結晶層を兼ねている。
【００２９】
Ｐ型ＧａＮクラッド層１４は、例えば厚さが１００ｎｍ、不純物濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３である。Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４は、例えば厚さが１０ｎｍ、不純物濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３である。
【００３０】
パッド電極１７ａと基板電極２１間に電圧を印加すると、半導体発光層１５には、主面１５ａに略垂直な方向に電流が流れる。ＩｎＧａＮ井戸層２６に注入されたキャリアが発光再結合し、例えばピーク波長が約４５０ｎｍの光が放出される。
【００３１】
上述した半導体発光素子１０は、ＩｎＧａＮ井戸層２６を一般的な厚さ（約３ｎｍ）より厚くしており、大電流を流したときに、ＩｎＧａＮ井戸層２６内のキャリア密度が過大にならないように構成されている。
【００３２】
図３は窒化物半導体の結晶構造を示す図である。図３に示すように、ＧａＮの結晶構造は六方晶ウルツ鉱型である。半導体発光層１５の主面１５ａはＣ面（０００１）で、極性面である。ＧａＮの上に積まれたＩｎＧａＮはＧａＮよりも格子間隔が大きいので、圧縮縮応力を受けて歪んでいる。成長軸であるｃ軸方向にピエゾ電界が生じる。
【００３３】
図４および図５は半導体発光素子１０の光出力特性をシミュレーションした結果を示す図である。シミュレーションは、上述したピエゾ電界を考慮して行っている。
【００３４】
図４（ａ）はＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１をパラメータとして、電流と光出力の関係を示す図、図４（ｂ）はＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１と光出力の関係を示す図である。
【００３５】
初期条件として、ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さを５ｎｍ、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数を８とした。ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を２．５ｎｍから１０ｎｍまで変化させた。厚さが２．５ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層を有する半導体発光素子を比較例とした。白丸は、比較例の半導体発光素子の実験結果を示している。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が２．５ｎｍから１０ｎｍでは、いずれも電流の増加に応じて光出力は飽和傾向を示しながら単調に増加する。ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が２．５ｎｍのとき、光出力は比較例の半導体発光素子の実験結果と略一致している。このことは、シミュレーションの妥当性を示している。
【００３７】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が４ｎｍから１０ｎｍのとき、比較例の半導体発光素子の実験結果（白丸）より十分高い光出力が得られている。光出力は約１．５倍から約２倍である。
【００３８】
図４（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１に応じて光出力は全体的には増加する傾向を示している。詳細には、光出力は増加しつつも、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が６ｎｍから７ｎｍで一旦飽和する傾向を示している。
【００３９】
更に、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を８ｎｍから９ｎｍにすると、光出力は飽和傾向から再度増加する傾向を示している。更に、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を１０ｎｍにすると、一転して光出力は減少している。
【００４０】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１と光出力の関係は、厚さ９ｎｍにピークを有している。特に、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が８ｎｍおよび９ｎｍのとき、約２倍高い光出力が得られている。ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が６ｎｍでも約１．８倍高い光出力が得られている。
【００４１】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が８ｎｍから９ｎｍで、特に光出力が顕著に高くなる傾向が認められた。これは、単にＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が２．５ｎｍから６ｎｍにおける光出力を単にカーブフィッティングして得られるフィッティングカーブ４０からは、予想もされない臨界的な特性を示しているものと考えられる。
【００４２】
一方、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が１０ｎｍを超えると、一転して光出力の低下が無視できなくなるレベルを示すようになることから、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１は６ｎｍ以上且つ１０ｎｍ以下が適している。望ましくは、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１は８ｎｍ以上且つ９ｎｍ以下が適している。
【００４３】
一般的に、窒化物半導体発光素子では、ＩｎＧａＮ井戸層が厚い場合、ピエゾ効果によりＩｎＧａＮ井戸層内でホールと電子が空間的に分離するため、発光再結合が抑制され、光出力が低下すると考えられている。
【００４４】
半導体発光層の主面に略垂直な方向に電流が流れ、且つ半導体発光層と電極間の距離が近い場合は、電圧が半導体発光層にほぼ直に印加される。そのため、同じ電流でも半導体発光層を斜め流れる電流成分がある場合よりも、ＩｎＧａＮ井戸層内で電子およびホールが増加する。
【００４５】
ホールはＰ型ＧａＮクラッド層１３側から、電子はＮ型ＧａＮクラッド層１２側からと、互いに反対側から半導体発光層１５に注入される。ホールは有効質量が大きいためＰ型ＧａＮクラッド層１３側に留まり、電子は有効質量が小さいためＰ型ＧａＮクラッド層１３側に達する。
【００４６】
その結果、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３側のＩｎＧａＮ井戸層２６で再結合する割合が多くなる。ホールおよび電子が一つのＩｎＧａＮ井戸層２６に集中すると、ＩｎＧａＮ井戸層２６が薄い場合はキャリア密度が過剰に高くなる。
【００４７】
キャリア密度が過剰に高くなると、オージェ再結合やキャリアのオーバフローの影響で光出力が低下する。オージェ再結合はキャリア密度の３乗に応じて増加するので、キャリア密度の２乗に応じて増加する発光再結合よりも大きくなる。
【００４８】
そこで、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を６ｎｍ以上にすると、キャリア密度が低下するので、オージェ再結合を抑制し、光出力を増加させることができる。さらにＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を８ｎｍ以上にすると、キャリアのオーバフローも抑制され、さらに光出力が増加すると考えられる。ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１が１０ｎｍを超えると、量子効果が低下するため、光出力も低下すると考えられる。
【００４９】
図５はＩｎＧａＮ井戸層２６の数をパラメータとして、電流と光出力の関係を示す図である。初期条件として、ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さＷ２を５ｎｍ、ＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を８ｎｍとした。ＩｎＧａＮ井戸層２６の数は１から５まで変化させた。
【００５０】
図５に示すように、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数に応じて半導体発光素子１０の光出力が増加している。ＩｎＧａＮ井戸層２６の数が１のときと、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数が２から５のときでは、半導体発光素子１０の光出力に大きな差がみられる。
【００５１】
電流が６００ｍＡのとき、２から５のＩｎＧａＮ井戸層２６を有する半導体発光素子１０の光出力は、１のＩｎＧａＮ井戸層２６を有する半導体発光素子１０の光出力より約１．３倍増加している。
【００５２】
一方、２から５のＩｎＧａＮ井戸層２６を有する半導体発光素子１０の光出力には大差は見られない。より詳細には、電流が４００ｍＡ以下のとき、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数によらず光出力は略同じである。電流が４００ｍＡ以上のとき、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数に応じて光出力は僅かに増加している。
【００５３】
ＩｎＧａＮ井戸層２６の数が１の場合、1つのＩｎＧａＮ井戸層２６にキャリアが集中し、キャリアのオーバフローが光出力低下の主な原因である。ＩｎＧａＮ井戸層２６の数が複数の場合、各ＩｎＧａＮ井戸層２６にキャリアが分散するので、キャリアのオーバフローが抑制される。
【００５４】
従って、ＩｎＧａＮ井戸層２６の数は多いほどよいが、光出力の増加は僅かなため、ＩｎＧａＮ井戸層２６は２以上あれば十分である。
【００５５】
次に、半導体発光素子１０の製造方法について図６乃至図９を参照して説明する。図６乃至図９は半導体発光素子１０の製造工程を順に示す断面図である。
【００５６】
図６（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、Ｃ面サファイア基板５１にＮ型ＧａＮクラッド層１２、半導体発光層１５、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４を順にエピタキシャル成長させて半導体積層体１１を形成する。
【００５７】
半導体積層体１１の製造プロセスについて、以下簡単に説明する。サファイア基板５１に、前処理として、例えば有機洗浄、酸洗浄を施した後、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に収納する。次に、例えば窒素（Ｎ２）ガスと水素（Ｈ２）ガスの常圧混合ガス雰囲気中で、高周波加熱により、サファイア基板５１の温度を、例えば１１００℃まで昇温する。これにより、サファイア基板５１の表面が気相エッチングされ、表面に形成されている自然酸化膜が除去される。
【００５８】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばアンモニア（ＮＨ３）ガスと、トリメチルガリウム（ＴＭＧ：Tri-Methyl Gallium）を供給し、Ｎ型ドーパントとして、例えばシラン（ＳｉＨ４）ガスを供給し、厚さ４μｍ、Ｓｉ濃度が１Ｅ１９ｃｍ−３程度のＮ型ＧａＮ層１２を形成する。
【００５９】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスおよびＳｉＨ４ガスの供給を停止し、サファイア基板５１の温度を１１００℃より低い温度、例えば８００℃まで降温し、８００℃で保持する。
【００６０】
次に、Ｎ２ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとして、例えばＮＨ３ガス、ＴＭＧガスおよびトリメチルインジウム（ＴＭＩ：Tri-Methyl Indium）ガスを供給し、厚さ５ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．０５のＩｎＧａＮ障壁層２５を形成し、ＴＭＩの供給を増やすことにより、厚さ８ｎｍ、Ｉｎ組成比が０．１５のＩｎＧａＮ井戸層２６を形成する。
【００６１】
次に、ＴＭＩガスの供給を増減することにより、ＩｎＧａＮ障壁層２５とＩｎＧａＮ井戸層２６の形成を、例えば２回繰返す。最後に、ＩｎＧａＮ障壁層２５を形成する。これにより、ＭＱＷ構造の半導体発光層１５が得られる。
【００６２】
次に、ＴＭＧガス、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＩガスの供給を停止し、アンドープで厚さ５ｎｍのＧａＮキャップ層（図示せず）を形成する。
【００６３】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、Ｎ２ガス雰囲気中で、サファイア基板５１の温度を８００℃より高い温度、例えば１０３０℃まで昇温し、１０３０℃で保持する。
【００６４】
次に、Ｎ２ガスとＨ２ガスの混合ガスをキャリアガスとし、プロセスガスとしてＮＨ３ガス、ＴＭＧガス、Ｐ型ドーパントとしてビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）ガスを供給し、厚さが１００ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３程度のＰ型ＧａＮクラッド層１３を形成する。
【００６５】
次に、Ｃｐ２Ｍｇガスの供給を増やして、厚さ１０ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２１ｃｍ−３程度のＰ型ＧａＮコンタクト層１４を形成する。
【００６６】
次に、ＮＨ３ガスは供給し続けながらＴＭＧガスの供給を停止し、キャリアガスのみ引き続き供給し、サファイア基板５１を自然降温する。ＮＨ３ガスの供給は、サファイア基板５１の温度が５００℃に達するまで継続する。これにより、サファイア基板５１上に半導体積層体１１が形成され、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４が表面になる。
【００６７】
次に、図６（ｂ）に示すように、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４上に、例えばスパッタリング法により厚さ約０．５μｍの銀膜と厚さ１μｍの金膜を積層して、金属電極１８を形成する。
【００６８】
次に、図６（ｃ）に示すように、シリコン基板５２を用意し、シリコン基板５２の両面に、例えばスパッタリング法により厚さ１μｍの金膜５３、５４を形成する。金膜５３上に、例えば真空蒸着法により厚さ２μｍの金錫合金膜５５を形成する。シリコン基板５２が支持基板２０、金膜５４が基板電極２１である。
【００６９】
次に、図７（ａ）に示すように、サファイア基板５１を上下反転して金属電極１８と金錫合金膜５５を対向させて、サファイア基板５１とシリコン基板５２を重ね合わせた後、サファイア基板５１とシリコン基板５２をヒータ５６により加熱し、加圧する。
【００７０】
金錫合金膜５５が融解し、金属電極１８の金膜、金膜５３と融合した接合層１９が形成される。サファイア基板５１とシリコン基板５２は、接合層１９を介して接合される。
【００７１】
次に、図７（ｂ）に示すように、レーザリフトオフ法により、サファイア基板５１と半導体積層体１１を分離する。レーザリフトオフ法とは、高出力のレーザ光を照射することにより物質内部を部分的に加熱分解し、分解した部分を境に分離する手法である。
【００７２】
具体的には、サファイア基板５１を通過しＮ型ＧａＮクラッド層１２で吸収されるレーザを照射し、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２を解離させて、サファイア基板５１とＮ型ＧａＮクラッド層１２を分離する。
【００７３】
例えばＮｄ−ＹＡＧレーザの第４高調波（２６６ｎｍ）をサファイア基板５１側から照射する。この光に対してサファイアは透明なので、照射された光はサファイア基板５１を透過してＮ型ＧａＮクラッド層１２で有効に吸収される。
【００７４】
サファイア基板５１との界面近傍のＮ型ＧａＮクラッド層１２には多くの結晶欠陥が存在するために、吸収された光はほとんど全てが熱に変換され、２ＧａＮ＝２Ｇａ＋Ｎ２（ｇ）↑なる反応が生じ、ＧａＮはＧａとＮ２ガスに解離する。
【００７５】
レーザは、連続光（ＣＷ）でも、パルス光（ＰＷ）でもよいが、尖頭出力の高いパルス光であることが望ましい。尖頭出力の高いパルスレーザとしては、ピコ秒からフェムト秒オーダの超短パルス光が出力可能なＱスイッチレーザ、モードロックレーザなどが適している。
【００７６】
解離した後、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、Ｇａ層５７が残置される。Ｇａ層５７は、温水、または塩酸を含む水溶液で除去する。
【００７７】
次に、図８（ａ）に示すように、露出したＮ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａを形成する。具体的には、例えばＫＯＨ水溶液でＮ型ＧａＮクラッド層１２をウェットエッチングする。ＫＯＨ水溶液は、例えば濃度２０％〜４０％程度、温度６０℃〜７０℃程度が適当である。Ｎ極性ＧａＮ面はＫＯＨ水溶液により異方性エッチングされるので、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２に凹凸部１２ａが形成される。
【００７８】
次に、図８（ｂ）に示すように、凹凸部１２ａが形成されたＮ型ＧａＮクラッド層１２上に、例えばスパッタリング法により厚さ約２００ｎｍのＩＴＯ膜５８を形成する。ＩＴＯ膜５８の結晶化を促進し、ＩＴＯ膜５８の導電率を高めるためにＩＴＯ膜５８に熱処理を施す。
【００７９】
熱処理は、例えば窒素中、もしくは窒素と酸素の混合雰囲気中で、温度４００乃至７５０℃程度、時間１乃至２０分程度が適当である。この段階で、ＩＴＯ膜５８は図１に示す透明導電膜１６になる。
【００８０】
次に、透明導電膜１６上に、例えばスパッタリング法により金膜を形成し、フォトリソグラフィ法により金膜をパターニングして、パッド電極１７ａおよび細線電極１７ｂを形成する。これにより、図１に示す半導体発光素子１０が得られる。
【００８１】
尚、ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さＷ２およびＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１は、断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）観察またはＸ線反射率法（X-ray Reflectivity Method）により求めることができる。
【００８２】
断面ＴＥＭ観察によれば、ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さＷ２およびＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を直接的に求めることができる。ＧａＮの格子定数はａ軸が約０．３１９ｎｍ、ｃ軸が約０．５１８ｎｍである。８ｎｍの厚さＷ１を有するＩｎＧａＮ井戸層２６では、ＩｎＧａＮ格子が約１６層積層されている。
【００８３】
Ｘ線反射率法によれば、ＩｎＧａＮ障壁層２５の厚さＷ２およびＩｎＧａＮ井戸層２６の厚さＷ１を間接的に求めることができる。Ｘ線反射率法とは、Ｘ線を試料表面に極浅い角度で入射させ、Ｘ線の反射強度プロファイルを解析して、試料の膜厚・密度等を決定する手法である。
【００８４】
具体的には、薄膜にＸ線を極浅い角度で入射させると、薄膜の表面と薄膜/基板界面および各界面で反射したＸ線が互いに干渉する。入射角度を連続的に変化させることによって得られる反射率のプロファイルは、その物質の膜厚、密度、界面のラフネスに応じて、特有の振動構造を示す。このプロファイルを理論式に基づいて解析し、薄膜の膜厚、密度、ラフネス等の物性値を評価することができる。
【００８５】
高輝度の平行ビームを用いれば、極薄膜（数ｎｍオーダ）の測定が可能である。高輝度の平行ビームは、例えばＸ線の入射光学系に放物面形状の人工多層膜を用いて得られる。
【００８６】
以上説明したように、本実施例の半導体発光素子１０では、半導体発光層１５は、主面が極性面であり、厚さＷ１が８ｎｍと、一般的に用いられている厚さ（約３ｎｍ）より厚いＩｎＧａＮ井戸層２６とＩｎＧａＮ障壁層２５が交互に積層されたＭＱＷ構造を有している。半導体発光層１５の主面に略垂直な方向に電流が流れるように透明導電膜１６および金属電極１８が設けられている。
【００８７】
その結果、大電流で駆動しても、ＩｎＧａＮ井戸層２６内のキャリア密度が適正に維持されるので、オージェ再結合を抑制し、且つキャリアのオーバフローを防止することができる。従って、光出力の高い半導体発光素子が得られる。
【００８８】
半導体発光素子１０には、更にキャリアのオーバフローを防止するためのオーバフロー防止層を設けることができる。半導体積層体１５の結晶性を向上させるための超格子バッファ層を設けることができる。図９はオーバフロー防止層および超格子バッファ層を有する半導体発光素子を示す断面図である。
【００８９】
図９に示すように、半導体発光素子６０の半導体積層体６１では、半導体発光層１５とＰ型ＧａＮクラッド層１３の間にＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２が設けられている。
【００９０】
Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２は、例えば厚さが５ｎｍ、Ｍｇ濃度が１Ｅ２０ｃｍ−３、Ａｌ組成比が０．２である。Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２のバンドギャップはＰ型ＧａＮクラッド層１３のバンドギャップより大きい。
【００９１】
半導体発光層１５とＮ型ＧａＮクラッド層１２の間に超格子バッファ層６３が設けられている。超格子バッファ層６３は、例えばＩｎ組成が異なる第１および第２のＩｎＧａＮ層が交互に３０対積層されている。
【００９２】
第１のＩｎＧａＮ層は、例えば厚さが１ｎｍ、第２のＩｎＧａＮ層は、例えば厚さが３ｎｍである。第１のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は、第２のＩｎＧａＮ層のＩｎ組成より大きい。
【００９３】
Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層６２により、ＩｎＧａＮ井戸層２６のキャリアのＰ型ＧａＮクラッド層１３へのオーバフローが効果的に抑制される。超格子バッファ層６３により、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２から半導体発光層１５へ転位等の結晶欠陥の伝播が抑制される。その結果、半導体発光素子６０の光出力を更に高めることができる利点がある。
【００９４】
ここでは、支持基板２０がシリコン基板である場合について説明したが、その他の導電性基板を用いることができる。導電性基板としては、例えば金属基板、導電性セラミックス基板、ゲルマニウム（Ｇｅ）基板等がある。導電性セラミックス基板は、例えばＳｉＣセラミックス基板である。
【００９５】
また、半導体積層体１１を成長させる基板がＣ面サファイア基板５１である場合について説明したが、導電性の基板を用いることができる。導電性の基板としては、例えば主面がＣ面であるＧａＮ基板、ＳｉＣ基板およびＺｎＯ基板等がある。
【００９６】
図１０は導電性の基板に設けられた半導体積層体を有する半導体発光素子を示す断面図である。図１０に示すように、半導体発光素子７０では、半導体積層体１１は主面がＣ面である成長用の導電性基板７１、例えばＣ面ＧａＮ基板に設けられている。
【００９７】
導電性基板７１に、Ｎ型ＧａＮクラッド層１２、半導体発光層１５、Ｐ型ＧａＮクラッド層１３およびＰ型ＧａＮコンタクト層１４が順に設けられている。透明導電膜１６は、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４上に設けられている。
【００９８】
導電性基板７１のＮ型ＧａＮクラッド層１２側と反対の面に、基板電極７２が設けられている。基板電極７２は、例えばＮ型ＧａＮにオーミックコンタクト可能なＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ膜である。
【００９９】
導電性基板７１は成長基板と支持基板を兼ねることができる。支持基板の接合および成長基板を除去する工程が不要になる利点がある。
【０１００】
尚、Ｐ型ＧａＮコンタクト層１４と透明導電膜１６の間に、パッド電極１７ａおよび細線電極１７ｂに対応した電流ブロック層を形成しても構わない。
【０１０１】
更に、透明導電膜１６が光取り出し効率を向上させるための凹凸部を有していても構わない。図１１は、凹凸部を有する透明導電膜が設けられた半導体発光素子の要部を示す断面図である。
【０１０２】
図１１に示すように、透明導電膜８０は主に結晶質ＩＴＯである凸部８１ａと主にアモルファスＩＴＯである凹部８１ｂを含む凹凸部８１を有している。
【０１０３】
一般に、スパッタリング等でＩＴＯ膜を形成すると、成膜時の基板温度、プラズマ密度、酸素分圧等に依存して、アモルファスＩＴＯと結晶質ＩＴＯが混在したＩＴＯ膜が得られることが知られている。
【０１０４】
例えば、基板温度で言えば、ＩＴＯの結晶化温度は１５０℃乃至２００℃付近にある。基板温度が結晶化温度付近にあると、アモルファスＩＴＯと結晶質ＩＴＯが混在したＩＴＯ膜が得られる。
【０１０５】
ＩＴＯ膜に、アモルファスＩＴＯに囲まれるように結晶質ＩＴＯが分散してピラー状に存在していることは、断面ＴＥＭ観察および電子線回折パターン等から確かめられている。
【０１０６】
結晶質ＩＴＯのエッチング速度は、アモルファスＩＴＯのエッチング速度より遅くなる。結晶質ＩＴＯのエッチング速度は、例えば５０乃至１００ｎｍ／ｍｉｎ程度である。アモルファスＩＴＯのエッチング速度は、例えば１００乃至５００ｎｍ／ｍｉｎ程度である。従って、結晶質ＩＴＯとアモルファスＩＴＯの選択比は、２乃至５程度と見込まれる。
【０１０７】
結晶質ＩＴＯとアモルファスＩＴＯのエッチング速度の差を利用して、エッチング速度の速いアモルファスＩＴＯを選択的に除去し、エッチング速度の遅い結晶質ＩＴＯを残置することにより、凹凸部８１を有する透明導電膜８０が得られる。
【０１０８】
なお、透明導電膜８０は、エッチングによる目減りを見込んで、予め厚目に形成しておくとよい。
【０１０９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【０１１０】
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。  
（付記１）  前記第１半導体層はＮ型ＧａＮクラッド層を含み、前記第２半導体層はＰ型ＧａＮクラッド層およびＰ型ＧａＮコンタクト層を含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【０１１１】
（付記２）  前記第１半導体層は、前記Ｎ型ＧａＮクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられた超格子バッファ層を有する付記１に記載の半導体発光素子。
【０１１２】
（付記３）  前記第２半導体層は、前記Ｐ型ＧａＮクラッド層と前記半導体発光層との間に設けられたＰ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層を有する付記１に記載の半導体発光素子。
【０１１３】
（付記４）  前記透明導電膜がＩＴＯ膜、ＺｎＯ膜またはＳｎ２Ｏ膜である請求項４に記載の半導体発光素子。
【０１１４】
（付記５）  細線電極が前記透明導電膜上に設けられている請求項４に記載の半導体発光素子。
【０１１５】
（付記６）  前記半導体発光層が前記第２電極を挟んで導電性の支持基板上に設けられている請求項４に記載の半導体発光素子。
【０１１６】
（付記７）  導電性の支持基板と、
第１導電型の第１半導体層と、厚さが６ｎｍ以上１０ｎｍ以下の井戸層と障壁層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、且つ主面が極性面である半導体発光層と、第２導電型の第２半導体層が順に積層された半導体積層体と、
前記第１半導体層上に設けられ、前記半導体発光層から放出される光に対して透光性を有する透明導電膜と、
前記透明導電膜上に設けられた細線電極と、
前記導電性基板と前記第２半導体層の間に設けられ、前記半導体発光層から放出された光を反射する金属電極と、
を具備する半導体発光素子。
【０１１７】
（付記８）
前記導電性の支持基板は、シリコン基板、金属基板、セラミックス基板、ゲルマニウム基板である付記６または付記７に記載の半導体発光素子。
【符号の説明】
【０１１８】
１０、６０、７０  半導体発光素子
１１、６１  半導体積層体
１２  Ｎ型ＧａＮクラッド層
１２ａ、８１  凹凸部
１３  Ｐ型ＧａＮクラッド層
１４  Ｐ型ＧａＮコンタクト層
１５  半導体発光層
１５ａ  主面
１６、８０  透明導電膜
１７  パッド電極
１７ａ  細線電極
１８  金属電極
１９  接合層
２０  支持基板
２１、７２  基板電極
２５  ＩｎＧａＮ障壁層
２６  ＩｎＧａＮ井戸層
５１  サファイア基板
５２  シリコン基板
５３、５４  金膜
５５  金錫合金膜
５６  ヒータ
５７  Ｇａ層
５８  ＩＴＯ膜
６２  Ｐ型ＡｌＧａＮオーバフロー防止層
６３  超格子バッフア層
７１  導電性基板
【図１】
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【図２】
2013183032.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013183032.tif 000009
【図８】
2013183032.tif 000010
【図９】
2013183032.tif 000011
【図１０】
2013183032.tif 000012
【図１１】
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